構建智慧社會需要數量龐大的各種感測器的電流源，無法利用光伏發電的暗處能源供給是目前存在的一項課題。日本東北大學微系統融合研究開發中心及研究生院工學研究科機械功能創成專業的小野崇人教授領導的研究團隊，利用微加工技術開發成功了量產焦熱電元件的技術，同時還試製了利用周圍的溫度變化發電的焦熱電系統，成功運行了無電池物聯網（IoT）感測器。
利用此次的技術，在暗處等也能利用環境的溫度變化來發電，可以臨時蓄電，然後提供給感測器供其運行。將來有望應用於防災、安防及構造物監測等感測器系統領域，可長期免去更換電池等維護作業。
未來IoT蓬勃隊形變換的智慧社會，利用感測器在各種場景獲得的資訊會在網路空間進行處理，實施安全放心的生活及提高服務品質等。不過，如何向這些數量龐大的各種感測器提供能量成爲一大課題。如果是明亮的場所，可以利用光伏發電爲電池供電等，但在暗處則比較困難，因此，研究人員推進了旨在將熱電發電等溫差發電用於IoT感測器的研究。不過，熱電發電需要有用來形成溫差的高溫熱源，因此能利用的場景有限。本次研究開發了能利用環境的溫度變化發電的常溫發電器件，並利用其原型驗證了IoT感測器可以實施無電池化。
如圖1所示，此次開發的常溫發電器件由熱電發電元件、蓄熱部和熱放射部構成。圖1上部的熱電發電元件利用容易量產的電鍍技術製作了由多對Bi2Te3和Sb2Te3組成的焦熱電元件，然後夾在Si基底層之間製作而成。熱電發電元件一表面接觸蓄熱部，另一表面接觸熱放射部。該常溫發電元件形成溫差，或者感受到環境的溫度變化時，熱量會被蓄熱部吸收，或者透過熱放射部散發。此時，熱電發電元件的兩側會產生溫差併發電。
圖1：新開發的常溫發電器件（爲便於比較尺寸，放了一支筆）。左上側的插圖爲内部結構，由蓄熱部、焦熱電元件、熱放射結構（背側）、感測器、CPU和無線單元構成。
研究人員在建築物内部設置了用來驗證原理的常溫發電單元，測量了發電量與半天的環境溫度變化的關係（圖2）。觀察發現，一日内，早晨和傍晚溫度大幅變化時發電量較大。發電的能源存儲在蓄電部，可以在需要時爲感測器、中央處理單元（CPU）和無線單元供電，並無線發送感測器獲得的訊號。
圖2：利用常溫發電驗證單元測量的隨環境溫度變化的發電量示例。圖中顯示了發電量在半天内隨着溫度變化而發生的變化。
圖1中的常溫發電原型嵌入了用來蓄電的電容、溫度變能器、CPU和無線單元，如圖3所示，在沒有使用電池的情況下，成功地持續向外部發送了溫度變能器的資料。另外，爲提高性能，研究團隊還在開發透過向焦熱電元件摻雜雜質來增加發電量的技術等。
爲使此次的常溫發電元件實施更大的功率輸出，研究團隊將加速推進開發，以儘快實施實用化。
圖3：利用周圍的溫度變化發電，然後利用發電的電力運行無電池溫度變能器，並無線發送透過感測器獲得的資訊。研究團隊歷時39天測量了建築物内部的溫度變化情況。證明利用常溫發電元件可以在不使用電池的情況下運行IoT感測器。
論文資訊
題目：Theoretical and experimental investigation of a thermoelectric generator （TEG） integrated with a phase change material （PCM） for harvesting energy from ambient temperature changes
期刊：Energy Reports
DOI：10.1016/j.egyr.2020.07.023
文：JST客觀日本編輯部
